WO2019021688A1 - メカニカルシール - Google Patents

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崇伺 西
優司 佐藤
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日本ピラー工業株式会社
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    • F16C2206/02—Carbon based material
    • F16C2206/04—Diamond like carbon [DLC]

Definitions

  • the present invention relates to a mechanical seal provided in a pump or the like.
  • a sealing function is generally achieved by relatively rotating in a state in which a sealing ring provided on the rotating shaft and a sealing ring provided on the seal case are in contact.
  • a mechanical seal configured to perform is used.
  • the end face of the fixing seal ring made of a silicon carbide material provided on the seal case is provided on the end face and the rotation shaft
  • An object of the present invention is to provide a mechanical seal capable of exhibiting a sealing function well over a long period of time without causing such problems.
  • the contact portion between the end face of the first seal ring provided on one of the rotary shaft and the seal case and the end face of the second seal ring provided on the other side is relatively rotated.
  • the high pressure fluid area and the low pressure fluid area are sealed and sealed, and the end face of the first seal ring is provided with a lubrication groove for connecting the contact portion to the high pressure fluid area, the first seal A mechanical seal is proposed in which a diamond film is formed on at least the contact portion and the lubrication groove on the end face of the ring.
  • Impurity atoms may be introduced into the diamond film.
  • the first sealing ring is provided on a rotating shaft, and a diamond film is formed in series on the end face of the first sealing ring and the lubrication groove. ing. Further, a diamond film similar to the diamond film may be formed on at least the contact portion on the end face of the second sealing ring.
  • the end face of the first seal ring is formed with a lubrication groove communicating the contact portion of both seal rings with the high pressure fluid region, and at least the contact portion and the lubrication on the end face of the first seal ring. Since the diamond film which is extremely hard and has a fine uneven surface is formed in the groove, wear at the contact portion of the end face of the first seal ring can be prevented as much as possible, and a high pressure liquid is further obtained. The liquid in the region can be smoothly introduced from the lubricating groove to the contact portion of both sealing rings and the introduced liquid can be well permeated into the contact portion.
  • the contact portion between both sealing rings can be extremely effectively lubricated, and wear, heat generation and damage at the contact portion can be effectively suppressed, and it is possible for a long period of time Good sealing function can be exhibited.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the line XX in FIG. It is the perspective view of the state which extracted and showed the principal part of the said mechanical seal, and which notched one part.
  • A The figure is a microscope picture which shows the surface of a diamond film
  • B The figure is a microscope picture which shows the surface of silicon carbide material.
  • FIG. 2 shows the modification of the mechanical seal which concerns on this invention.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing an example of a mechanical seal according to the present invention
  • FIG. 2 is a detailed view showing an enlarged part of FIG. 1
  • FIG. 3 is a cross-sectional view along line XX in FIG.
  • FIG. 4 is a perspective view showing a part of the mechanical seal taken out and partially cut away.
  • the mechanical seal shown in FIG. 1 comprises a seal case 1 and a rotary ring 3 as a first seal ring provided on one of the rotary shafts 2 and an idle ring 4 as a second seal ring provided on the other side.
  • the mechanical seal is configured to shield and seal the high pressure fluid area H and the low pressure fluid area L by relative rotation of the contact portion S between the end face 31 of the rotary ring 3 and the seal surface 41 as the end face of the floating ring 4. It is done.
  • the mechanical seal according to the present example is a floating ring type used as a shaft sealing means of a rotating device such as a pump.
  • the mechanical seal includes a rotary ring 3 which is a first seal ring fixed to the rotary shaft 2 and a second seal ring held movably in the axial direction of the rotary shaft 2 via a holding ring 5 to the seal case 1.
  • the seal case 1 is a cylindrical structure attached to the shaft seal housing 7 of the rotary device, and the rotary shaft 2 of the rotary device penetrates concentrically.
  • the rotary ring 3 which is the first seal ring is an annular body made of a suitable seal ring material, for example, a sintered material of silicon carbide or a carbide material such as cemented carbide, and is attached to the rotary shaft 2 It is fixed to the sleeve 21.
  • the end face 31 of the rotary ring 3 is formed in an annular plane orthogonal to the axis.
  • the movable ring 4 which is the second sealing ring is a toroidal ring made of a sealing ring material similar to the rotary ring 3 or a sealing ring material such as carbon softer than that.
  • the floating ring 4 is located between the holding ring 5 and the rotary ring 3 as shown in FIG. 1 and is connected to the holding ring 5 so as not to be relatively rotatable via the drive pin 10 and the O ring 11. .
  • the seal surface 41 of the floating ring 4 is, as shown in FIG. 2, formed in an annular plane perpendicular to the axis, and the entire surface thereof is in contact with the end face 31 of the fixed ring 3 and is sealed.
  • the end face 31 of the rotary ring 3 is, as shown in FIGS. 2 to 4, a seal face 31 a which is in contact with a seal face 41 (hereinafter also referred to as “a counterpart seal face 41”) which is an end face of the floating ring 4
  • the outer peripheral non-seal surface 31b which is not in contact with 41 and located on the outer peripheral side of the seal surface 31a and the inner peripheral non-seal surface which is not in contact with the mating seal surface 41 and is located on the inner peripheral side than the seal surface 31a It consists of 31c. That is, as shown in FIG. 2, the end face 31 of the rotary ring 3 has an outside diameter larger than that of the mating seal surface 41 and an inside diameter smaller than that of the mating seal surface 41. is there.
  • the end face 31 has a seal surface 31a that has the same inner and outer diameter as the mating seal surface 41, and the outer peripheral side of the seal surface 31a as the outer peripheral non-seal surface 31b.
  • the inner peripheral side of the seal surface 31a is the inner periphery
  • the side non-seal surface 31c is used.
  • the above-described mechanical seal is an outer peripheral region of the contact portion S (both seal surfaces 31a and 41) by relative rotation while the seal surface 31a of the rotary ring 3 and the seal surface 41 of the floating ring 4 contact each other.
  • the high-pressure fluid area H and the low-pressure fluid area L which is the inner circumferential area, are shielded and sealed.
  • the high pressure fluid area H is a sealed fluid area which is an in-machine area of the rotary device
  • the low pressure fluid area L is an unsealed fluid area which is an extra-machine area of the rotary device.
  • the end face 31 of the rotary ring 3 is formed with a lubricating groove 12 communicating the contact portion S of the two sealing rings 3 and 4 with the high pressure fluid region H.
  • the lubricating groove 12 is generally referred to as a hydrocut, and the lubricating groove 12 of this example is formed across the seal surface 31a and the outer peripheral non-seal surface 31b on the end face 31 of the rotary ring 3 as shown in FIG. .
  • each lubrication groove 12 is a bottom surface 12 a which is a fan-shaped flat surface orthogonal to the axis of the rotary ring 3, and a strip-like flat surface perpendicular to the bottom surface 12 a.
  • a step surface 12 b connecting the outer peripheral side non-seal surface 32.
  • each lubricating groove 12 communicates the outer peripheral portion of the contact portion S of the both seal rings 3 and 4 with the high pressure fluid region H to introduce the fluid in the high pressure fluid region H into the contact portion S.
  • a diamond film 13 is formed on at least the contact portion S of the end face 31 of the rotary ring 3, that is, the first seal surface 31a (the area 31A excluding the area where the respective lubrication grooves 12 are formed on the end surface 31) and the lubrication grooves 12. ing.
  • the diamond film 13 is formed in series on the end face 31 of the rotary ring 3 and the bottom surface 12a and the step surface 12b of each of the lubricating grooves 12. That is, as shown in FIGS. 2 to 4, the diamond film 13 includes the first diamond film 13a covering the seal surface 31a and the region 31B excluding the region where the lubricating grooves 12 are formed in the outer peripheral side non-seal surface 31b.
  • a second diamond film 13b which is covered and connected to the first diamond film 13a, and a third diamond film 13c which covers the area 31C of the inner non-sealed surface 31c and connected to the first diamond film 13a
  • a step surface 12b is covered, a fourth diamond film 13d connected to the first and second diamond films 13a and 13b, and a bottom surface 12a of each lubrication groove 12 are covered, and the first and second diamond films 13d are interposed therebetween.
  • It consists of a fifth diamond film 13e connected to the diamond films 13a and 13b.
  • the surface roughness of the diamond film 13 is 0.1 ⁇ m Ra or more and 0.2 ⁇ m Ra or less.
  • the surface roughness of silicon carbide forming the rotary ring 3 is 0.01 ⁇ m Ra or more and 0.1 ⁇ m Ra or less.
  • the measurement of surface roughness is performed by bringing a detector into contact with the surface of the rotary ring 3 on which the diamond film 13 is formed.
  • the diamond film 13 according to the present embodiment includes diamond like carbon (DLC).
  • the diamond film 13 is formed by a coating method such as hot filament chemical vapor deposition, microwave plasma chemical vapor deposition, high frequency plasma, direct current discharge plasma, arc discharge plasma jet, combustion flame method or the like.
  • the seal surface 31a of the rotary ring 3 is covered with the first diamond film 13a harder than the base material of the rotary ring 3 (seal ring material such as silicon carbide). Therefore, wear and damage of the seal surface 31a due to the contact with the mating seal surface 41 are prevented as much as possible. Then, since the fluid in the high pressure fluid region H is introduced from the lubrication grooves 12 to the contact portions S of the both seal rings 3 and 4, the contact portions S are lubricated and the seal surface 31a of the rotary ring 3 and Heat generation, wear and damage due to the contact of the seal surface 41 of the floating ring 4 are effectively prevented.
  • FIG. 5A is a photomicrograph showing the surface of the diamond film 13 magnified 1000 times
  • FIG. 5B is 1000 times the end face 31 of the silicon carbide fixed ring 3 where the diamond film is not formed. It is the microscope picture expanded and shown.
  • the diamond film 13 (the first diamond film 13a, the fourth diamond film 13d, and the fifth diamond film) is formed on the seal surface 31a and the bottom surface 12a and the step surface 12b of each lubrication groove 12.
  • 13e a large uneven shape is exhibited as compared with the case where the diamond film 13 is not formed, and the surface roughness is large.
  • the diamond film 13 formed on the seal surface 31a of the rotary ring 3 causes fine unevenness on the seal surface 31a, the contact portion between the seal surface 31a of the rotary ring 3 and the seal surface 41 of the floating ring 4 Fine clearances will be formed in S.
  • the fluid in the high pressure fluid region H introduced from each lubrication groove 12 penetrates between the seal surfaces 31 a and 41 smoothly and uniformly by the clearance. . Therefore, the lubrication at the contact portion S between the sealing rings 3 and 4 is more effectively performed than when the diamond film 13 is not formed.
  • the bottom surface 12a and the step surface 12b of each lubrication groove 12 are fine asperity surfaces by the formation of the diamond film 13, so no diamond film is formed. As compared to the case, the wettability of the liquid is reduced. As a result, liquid flow is performed more smoothly than when the diamond film 13 is not formed on the bottom surfaces 12a and the step surfaces 12b of the respective lubrication grooves 12, and the liquid from the high pressure fluid region H to the lubrication grooves 12 is The amount of uptake increases. Therefore, the liquid introduction amount per unit time from the lubricating groove 12 to the contact portion S of the both seal rings 3 and 4 is increased. Therefore, the lubrication at the contact portion S between the seal surface 31 a of the rotary ring 3 and the seal surface 41 of the floating ring 4 is extremely well performed.
  • the mechanical seal according to the present invention having the above-described structure in which the diamond film 13 is formed on the bottom surface 12a and the step surface 12b of each lubrication groove 12, and the diamond film 13 is not formed on the bottom surface 12a and the step surface 12b.
  • the liquid introduction amount is about 40 ml / h, while in the mechanical seal according to the present invention in which the diamond film 13 is formed.
  • the introduction amount was about 60 ml / h. From this measurement result, by forming the diamond film 13 on the bottom surface 12a and the step surface 12b of each lubrication groove 12, the lubrication at the contact portion S between the seal surface 31a of the rotary ring 3 and the seal surface 41 of the floating ring 4 is It was confirmed to be very well done.
  • the contact portion S of both the seal rings 3 and 4 can be extremely well lubricated, and the seal surface 31 a of the rotary ring 3 and the seal surface 41 of the floating ring 4 Heat generation, wear and damage due to contact can be effectively prevented, and a good sealing function can be exhibited over a long period of time.
  • the first seal ring forming the diamond film 13 and the lubrication groove 12 is a seal ring (rotary ring 3) provided on the rotary shaft 2.
  • This first seal ring is a seal case 1 It may be a sealing ring provided on the side.
  • the same lubricating groove as the lubricating groove 12 is formed on the seal surface 41 of the floating ring 4, and the diamond film 13 is formed on the seal surface 41 including the lubricating groove 12. it can.
  • the end face 31 of the rotary ring 3 which is the first sealing ring is the outer peripheral side not in contact with the sealing surface 31 a which is a contact portion with the mating sealing surface 41.
  • the non-seal surface 31b and the inner peripheral seal surface 31c are used, the present invention can be applied to a mechanical seal in which one or both of the non-seal surfaces 31b and 31c do not exist.
  • the present invention can also be applied to a mechanical seal in which the inner diameter of the end face of the first sealing ring is the same as or larger than the inner diameter of the end face of the second sealing ring.
  • the present invention is not limited to the floating ring type mechanical seal in which the second sealing ring (or the first sealing ring) is the floating ring 4 held by the seal case 2 via the holding ring 5 as described above.
  • the present invention can also be applied to a mechanical seal in which the second seal ring (or the first seal ring) is directly held on the seal case without the holding ring 5.
  • the present invention is not limited to the inside type mechanical seal in which the outer peripheral side area of the contact portion S of both sealing rings 3 and 4 is the high pressure fluid area H and the sealed fluid area.
  • the present invention can also be applied to an outside type mechanical seal in which the area is a sealed fluid area (high pressure liquid area).
  • the shape and number of the lubricating grooves 12 are arbitrary, and are not limited to the above-described embodiment.
  • the lubricating groove 12 has an outer periphery at the end face of the first sealing ring (for example, the end face 31 of the rotary ring 3)
  • the portion may be cut out in an annular shape along the same, and in the case where the inner peripheral region of the contact portion S is the high pressure fluid region H, the inner peripheral portion of the end face of the first sealing ring is It may be cut away in an annular shape along this.
  • the end face of the second seal ring (for example, the seal surface 41 of the floating ring 4) in which the lubricating groove is not formed also includes the contact portion S with the end face 31 of the first seal ring 3.
  • a diamond film 14 similar to the diamond film 13 can be formed.
  • impurity atoms such as silicon and boron may be introduced into the diamond films 13 and 14, for example.
  • the surface roughness of the diamond films 13 and 14 into which the impurity is introduced is 0.2 ⁇ m Ra or more and 0.3 ⁇ m Ra or less, the surface roughness of the diamond films 13 and 14 is rougher than the surface roughness of the diamond film 13 in the embodiment described above. From this, the liquid introduction amount per unit time will increase. Therefore, the lubrication at the contact portion S between the seal surface 31 a of the rotary ring 3 and the seal surface 41 of the floating ring 4 is extremely well performed.
  • seal case 2 rotary shaft 3 rotary ring (first seal ring) 4 floating ring (second sealed ring) 12 lubrication groove 13 diamond film 14 diamond film 31 end surface 41 seal surface H high pressure fluid area L low pressure fluid area S contact portion

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Abstract

メカニカルシールは、回転軸（２）に設けた第１密封環（３）の端面（３１）とシールケースに設けた第２密封環（４）の端面（４１）との接触部（Ｓ）が相対回転することにより、高圧液体領域（Ｈ）と大気領域（Ｌ）とを遮蔽シールするように構成されており、第１密封環（３）の端面（３１）には、前記接触部（Ｓ）を高圧液体領域（Ｈ）に連通する潤滑溝（１２）が形成されると共に当該潤滑溝（１２）を含めてダイヤモンド膜（１３）が形成される。

Description

メカニカルシール
　本発明は、ポンプ等に装備されるメカニカルシールに関するものである。
　従来、高圧条件下で使用される回転機器の軸封手段としては、一般に、回転軸に設けた密封環とシールケースに設けた密封環とが接触する状態で相対回転することにより、シール機能を発揮するように構成されたメカニカルシールが使用されている。
　このようなメカニカルシールにあっては、例えば、特許文献１の図１に開示される如く、シールケースに設けた炭化珪素材製の固定用密封環の端面に、当該端面と回転軸に設けた回転用密封環の端面との接触部に高圧液体領域の液体を導入する潤滑溝を形成して、当該液体により当該接触部を潤滑させることによって、当該接触部の摩耗、発熱を可及的に抑制し、シール機能の維持や耐久性の向上を図っている。
特開２００６－７０９４２号公報
　しかし、潤滑溝から両密封環の接触部への液体導入による潤滑を十分に行うことができず、長期に亘って良好なシール機能を発揮させることが困難であった。
　本発明は、このような問題を生じることなく、長期に亘ってシール機能を良好に発揮することができるメカニカルシールを提供することを目的とする。
　本発明は、上記の目的を達成すべく、回転軸及びシールケースの一方に設けられた第１密封環の端面とその他方に設けられた第２密封環の端面との接触部が相対回転することにより、高圧流体領域と低圧流体領域とを遮蔽シールするように構成されており、第１密封環の端面は前記接触部を高圧流体領域に連通する潤滑溝を備えており、前記第１密封環の端面における少なくとも前記接触部及び前記潤滑溝には、ダイヤモンド膜が形成されているメカニカルシールを提案する。
　ダイヤモンド膜には、不純物原子が導入されていても良い。
　また、本発明の好ましい実施の形態にあって、前記第１密封環は回転軸に設けられたものであり、前記第１密封環の端面及び前記潤滑溝には、ダイヤモンド膜が一連に形成されている。また、前記第２密封環の端面における少なくとも前記接触部には、前記ダイヤモンド膜と同様のダイヤモンド膜を形成してもよい。
　本発明のメカニカルシールにあっては、第１密封環の端面に両密封環の接触部を高圧流体領域に連通する潤滑溝を形成し、第１密封環の端面における少なくとも前記接触部及び前記潤滑溝に、極めて硬質で且つ表面が微細な凹凸面をなすダイヤモンド膜を形成しているから、第１密封環の端面の前記接触部における摩耗を可及的に防止することができ、更に高圧液体領域の液体を潤滑溝から両密封環の接触部に円滑に導入させると共に導入された液体を当該接触部に良好に浸透させることができる。したがって、本発明のメカニカルシールによれば、両密封環の接触部を極めて効果的に潤滑することができ、当該接触部における摩耗、発熱、損傷を効果的に抑制し得て、長期に亘って良好なシール機能を発揮させることができる。
本発明に係るメカニカルシールの一例を示す断面図である。 図１の要部を拡大して示す詳細図である。 図２のＸ－Ｘ線に沿う断面図である。 当該メカニカルシールの要部を取り出して示す、一部を切り欠いた状態の斜視図である。 （Ａ）図はダイヤモンド膜の表面を示す顕微鏡写真であり、（Ｂ）図は炭化珪素材の表面を示す顕微鏡写真である。 本発明に係るメカニカルシールの変形例を示す図２相当の断面図である。
　以下、本発明に係るメカニカルシールの実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明に係るメカニカルシールの一例を示す断面図であり、図２は図１の要部を拡大して示す詳細図であり、図３は図２のＸ－Ｘ線に沿う断面図であり、図４は当該メカニカルシールの要部を取り出して示す、一部切り欠いた状態の斜視図である。
　図１に示すメカニカルシールは、シールケース１及び回転軸２の一方に設けた第１密封環としての回転環３とその他方に設けた第２密封環としての遊動環４とを具備する。メカニカルシールは、回転環３の端面３１と遊動環４の端面としてのシール面４１との接触部Ｓが相対回転することにより、高圧流体領域Ｈと低圧流体領域Ｌとを遮蔽シールするように構成されている。
　本例に係るメカニカルシールは、ポンプ等の回転機器の軸封手段として使用される遊動環型である。メカニカルシールは、回転軸２に固定された第１密封環である回転環３と、シールケース１に保持環５を介して回転軸２の軸方向に移動可能に保持された第２密封環である遊動環４と、シールケース１にＯリング８及びドライブピン９を介して軸方向に移動可能に且つ相対回転不能に保持された保持環５と、シールケース１と保持環５との間に装填されて、遊動環４を保持環５を介して回転環３へと押圧、附勢するスプリング部材６とを具備する。
　シールケース１は、回転機器の軸封部ハウジング７に取り付けられた筒状構造体であって、当該回転機器の回転軸２が同心状に貫通している。
　第１密封環である回転環３は、適宜の密封環材料、例えば、炭化珪素の焼結体又は超硬合金等のカーバイド材料で構成された円環状体であって、回転軸２に取り付けたスリーブ２１に固定されている。回転環３の端面３１は、軸線に直交する環状の平面に構成されている。
　第２密封環である遊動環４は、回転環３と同質の密封環材料又はこれより軟質のカーボン等の密封環材料で構成された円環状体である。遊動環４は、図１に示す如く、保持環５と前記回転環３との間に位置しており、保持環５にドライブピン１０及びＯリング１１を介して相対回転不能に連結されている。遊動環４のシール面４１は、図２に示す如く、軸線に直交する環状の平面に構成されており、その全面が固定環３の端面３１に接触してシールする面とされている。
　回転環３の端面３１は、図２～図４に示す如く、遊動環４の端面であるシール面４１（以下「相手シール面４１」ともいう）と接触するシール面３１ａと、当該相手シール面４１と接触せず、シール面３１ａよりも外周側に位置する外周側非シール面３１ｂと、相手シール面４１と接触せず、シール面３１ａよりも内周側に位置する内周側非シール面３１ｃとからなる。すなわち、回転環３の端面３１は、図２に示す如く、その外径を相手シール面４１の外径より大径とすると共に、その内径を当該相手シール面４１の内径より小径としたものである。端面３１は、相手シール面４１と内外径を同一する部分をシール面３１ａとし、当該シール面３１ａの外周側部分を外周側非シール面３１ｂとし、当該シール面３１ａの内周側部分を内周側非シール面３１ｃとするものである。
　上記のメカニカルシールは、回転環３のシール面３１ａと遊動環４のシール面４１とが接触しつつ相対回転することにより、その接触部Ｓ（両シール面３１ａ，４１）の外周側領域である高圧流体領域Ｈとその内周側領域である低圧流体領域Ｌとを遮蔽シールするように構成されている。高圧流体領域Ｈは当該回転機器の機内領域である被密封流体領域であり、低圧流体領域Ｌは回転機器の機外領域である非密封流体領域であり、この例では大気領域である。
　而して、回転環３の端面３１には、図２～図４に示す如く、両密封環３，４の接触部Ｓを高圧流体領域Ｈに連通する潤滑溝１２が形成されている。潤滑溝１２は一般的にハイドロカットと呼ばれるものであり、この例の潤滑溝１２は、図３に示す如く、回転環３の端面３１におけるシール面３１ａ及び外周側非シール面３１ｂにわたって形成される。より具体的には、回転環３の外周の一部を通過する直線部３Ａと、外周側非シール面３１ｂの外周縁部分である円弧部３Ｂとで形成された領域を軸方向に所定の深さに切り欠いてなる。また、潤滑溝１２は、当該端面３１において、一定間隔ごとに複数形成されている。
　図２に示すように、各潤滑溝１２は、回転環３の軸線に直交する扇形状の平面である底面１２ａと、当該底面１２ａに直交する帯状の平面であって当該底面１２ａとシール面３１及び外周側非シール面３２とを連結する段差面１２ｂとからなる。また、各潤滑溝１２は、両密封環３，４の接触部Ｓの外周部分を高圧流体領域Ｈに連通して、高圧流体領域Ｈの流体を当該接触部Ｓに導入するものである。
　回転環３の端面３１における少なくとも前記接触部Ｓつまり第１シール面３１ａ（端面３１における各潤滑溝１２が形成された領域を除く領域３１Ａ）及び各潤滑溝１２には、ダイヤモンド膜１３が形成されている。この例では、回転環３の端面３１並びに各潤滑溝１２の底面１２ａ及び段差面１２ｂに、ダイヤモンド膜１３を一連に形成してある。すなわち、ダイヤモンド膜１３は、図２～図４に示す如く、シール面３１ａを被覆する第１ダイヤモンド膜１３ａと、外周側非シール面３１ｂにおける各潤滑溝１２が形成された領域を除く領域３１Ｂを被覆し、第１ダイヤモンド膜１３ａに連なる第２ダイヤモンド膜１３ｂと、内周側非シール面３１ｃの領域３１Ｃを被覆し、第１ダイヤモンド膜１３ａに連なる第３ダイヤモンド膜１３ｃと、各潤滑溝１２の段差面１２ｂを被覆し、第１及び第２ダイヤモンド膜１３ａ，１３ｂに連なる第４ダイヤモンド膜１３ｄと、各潤滑溝１２の底面１２ａを被覆し、第４ダイヤモンド膜１３ｄを介して第１及び第２ダイヤモンド膜１３ａ，１３ｂに連なる第５ダイヤモンド膜１３ｅとからなる。ここで、ダイヤモンド膜１３の表面粗さは、０．１μｍＲａ以上、０．２μｍＲａ以下である。一方、回転環３を形成する炭化珪素の表面粗さは、０．０１μｍＲａ以上、０．１μｍＲａ以下である。表面粗さの測定は、ダイヤモンド膜１３が形成された回転環３の表面に検出器を接触させて行われる。なお、本実施形態に係るダイヤモンド膜１３には、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）が含まれる。また、ダイヤモンド膜１３の形成は、熱フィラメント化学蒸着法、マイクロ波プラズマ化学蒸着法、高周波プラズマ法、直流放電プラズマ法、アーク放電プラズマジェット法、燃焼炎法等のコーティング方法等によって行われる。
　以上のように構成されたメカニカルシールにあっては、回転環３のシール面３１ａが当該回転環３の母材（炭化珪素等の密封環材料）より硬質の第１ダイヤモンド膜１３ａで被覆されているから、相手シール面４１との接触による当該シール面３１ａの摩耗、損傷が可及的に防止される。そして、両密封環３，４の接触部Ｓには各潤滑溝１２から高圧流体領域Ｈの流体が導入されることから、当該接触部Ｓが潤滑されて、回転環３のシール面３１ａ、及び遊動環４のシール面４１の接触による発熱、摩耗、損傷が効果的に防止される。
　ここで、図５（Ａ）はダイヤモンド膜１３の表面を１０００倍に拡大して示す顕微鏡写真であり、図５（Ｂ）はダイヤモンド膜を形成しない炭化珪素製固定環３の端面３１を１０００倍に拡大して示す顕微鏡写真である。図５の顕微鏡写真からも明らかなように、シール面３１ａ及び各潤滑溝１２の底面１２ａ及び段差面１２ｂに、ダイヤモンド膜１３（第１ダイヤモンド膜１３ａ、第４ダイヤモンド膜１３ｄ、及び第５ダイヤモンド膜１３ｅ）が形成されることによって、ダイヤモンド膜１３を形成しない場合に比して、大きな凹凸形状を呈しており、表面粗さが大きくなっている。
　したがって、回転環３のシール面３１ａに形成されたダイヤモンド膜１３によってシール面３１ａに微細な凹凸が生じているために、回転環３のシール面３１ａと遊動環４のシール面４１との接触部Ｓには微細なクリアランスが形成されることになる。その結果、ダイヤモンド膜１３を形成しない場合に比して、各潤滑溝１２から導入された高圧流体領域Ｈの流体が、当該クリアランスによりシール面３１ａ，４１間に円滑且つ均一に浸透することになる。したがって、両密封環３，４の接触部Ｓにおける潤滑は、ダイヤモンド膜１３を形成しない場合に比してより効果的に行われる。
　さらに、流体が水等の液体である場合、各潤滑溝１２の底面１２ａ、及び段差面１２ｂは、ダイヤモンド膜１３が形成されることにより微細な凹凸面となっているため、ダイヤモンド膜を形成しない場合に比して、液体の濡れ性が小さくなる。その結果、各潤滑溝１２の底面１２ａ、及び段差面１２ｂにダイヤモンド膜１３を形成しない場合に比して、液体流動がより円滑に行われ、高圧流体領域Ｈから当該潤滑溝１２への液体の取り込み量が多くなる。したがって、当該潤滑溝１２から両密封環３，４の接触部Ｓへの単位時間当たりの液体導入量が増大することになる。よって、回転環３のシール面３１ａ、及び遊動環４のシール面４１間の接触部Ｓにおける潤滑が極めて良好に行われる。
　ところで、各潤滑溝１２の底面１２ａ及び段差面１２ｂにダイヤモンド膜１３を形成した上記構成の本発明に係るメカニカルシールと、これら底面１２ａ及び段差面１２ｂにダイヤモンド膜１３を形成しない点を除いて当該メカニカルシールと同一構成をなす比較例メカニカルシールとを使用して、同一のメカニカルシール負荷条件（圧力：２．５ＭＰａＧ、周速：４８ｍ／ｓ）下で、当該潤滑溝１２から両密封環３，４の接触部Ｓへの単位時間当たりの液体導入量を測定した。その結果は、ダイヤモンド膜１３が形成されていないメカニカルシール（比較例）においては液体導入量が約４０ｍｌ／ｈであるのに対し、ダイヤモンド膜１３が形成されている本発明に係るメカニカルシールでは液体導入量が約６０ｍｌ／ｈであった。この測定結果から、各潤滑溝１２の底面１２ａ及び段差面１２ｂにダイヤモンド膜１３を形成することによって、回転環３のシール面３１ａ、及び遊動環４のシール面４１間の接触部Ｓにおける潤滑が極めて良好に行われることが確認された。
　以上のように、上記したメカニカルシールによれば、両密封環３，４の接触部Ｓを極めて良好に潤滑することができ、回転環３のシール面３１ａ、及び遊動環４のシール面４１の接触による発熱、摩耗、損傷を効果的に防止して長期に亘って良好なシール機能を発揮することができる。
　本発明に係るメカニカルシールの構成は、上記した実施の形態に限定されず、本発明の基本原理を逸脱しない範囲において適宜に改良、変更することができる。例えば、上記した実施の形態では、ダイヤモンド膜１３及び潤滑溝１２を形成する第１密封環を回転軸２に設けた密封環（回転環３）としたが、この第１密封環をシールケース１側に設けた密封環としてもよい。上記した実施の形態において、遊動環４のシール面４１に前記潤滑溝１２と同様の潤滑溝を形成すると共に、当該シール面４１に潤滑溝１２を含めてダイヤモンド膜１３を形成しておくことができる。
　また、上記した実施の形態にあっては、第１密封環である回転環３の端面３１を、相手シール面４１との接触部であるシール面３１ａと、相手シール面４１と接触しない外周側非シール面３１ｂ及び内周側シール面３１ｃとからなるものとしたが、本発明は両非シール面３１ｂ，３１ｃの一方又は両方が存在しないメカニカルシールにも適用することができる。すなわち、第１密封環の端面（例えば回転環３の端面３１）の外径が第２密封環の端面（例えば遊動環４のシール面４１）の外径と同一又は小径であるメカニカルシールや、当該第１密封環の端面の内径が当該第２密封環の端面の内径と同一又は大径であるメカニカルシールにも本発明を適用することができる。
　また、本発明は、第２密封環（又は第１密封環）を、上記した如く、シールケース２に保持環５を介して保持した遊動環４とする遊動環型メカニカルシールに限定されず、シールケースに第２密封環（又は第１密封環）が保持環５を介することなく直接に保持されたメカニカルシールにも適用することができる。また、本発明は、両密封環３，４の接触部Ｓの外周側領域が高圧流体領域Ｈである被密封流体領域となるインサイド形メカニカルシールに限定されず、当該接触部Ｓの内周側領域が被密封流体領域（高圧液体領域）となるアウトサイド形のメカニカルシールにも適用することができる。
　また、潤滑溝１２の形状及び数は任意であり、上記した実施の形態に限定されない。例えば、潤滑溝１２は、両密封環３，４の接触部Ｓの外周側領域が高圧流体領域Ｈである場合においては、第１密封環の端面（例えば、回転環３の端面３１）における外周部分をこれに沿う円環状に切り欠いてなるものとすることができ、接触部Ｓの内周側領域が高圧流体領域Ｈである場合においては、当該第１密封環の端面における内周部分をこれに沿う円環状に切り欠いてなるものとすることができる。
　また、図６に示す如く、潤滑溝を形成しない第２密封環の端面（例えば、遊動環４のシール面４１）にも、第１密封環３の端面３１との接触部Ｓを含めて前記ダイヤモンド膜１３と同様のダイヤモンド膜１４を形成しておくことができる。
　また、ダイヤモンド膜１３，１４には、例えばケイ素やホウ素等の不純物原子を導入させても良い。この場合、不純物が導入されたダイヤモンド膜１３，１４の表面粗さは、０．２μｍＲａ以上、０．３μｍＲａ以下となることから、上述した実施形態におけるダイヤモンド膜１３の表面粗さよりも粗くなる。このことから、単位時間当たりの液体導入量が増大することになる。よって、回転環３のシール面３１ａと遊動環４のシール面４１との接触部Ｓにおける潤滑が極めて良好に行われる。
　１　　　シールケース
　２　　　回転軸
　３　　　回転環（第１密封環）
　４　　　遊動環（第２密封環）
　１２　　潤滑溝
　１３　　ダイヤモンド膜
　１４　　ダイヤモンド膜
　３１　　端面
　４１　　シール面
　Ｈ　　　高圧流体領域
　Ｌ　　　低圧流体領域
　Ｓ　　　接触部

Claims (5)

  1. 　回転軸及びシールケースの一方に設けられた第１密封環の端面とその他方に設けられた第２密封環の端面との接触部が相対回転することにより、高圧流体領域と低圧流体領域とを遮蔽シールするように構成されており、
    　第１密封環の端面は、前記接触部を高圧流体領域に連通する潤滑溝を備え、
    　前記第１密封環の端面における少なくとも前記接触部及び前記潤滑溝には、ダイヤモンド膜が形成されているメカニカルシール。
  2. 　前記ダイヤモンド膜には、不純物原子が導入されている、請求項１のメカニカルシール。
  3. 　前記第１密封環が回転軸に設けられたものである、請求項１のメカニカルシール。
  4. 　前記第１密封環の端面及び前記潤滑溝には、ダイヤモンド膜が一連に形成されている、請求項１のメカニカルシール。
  5. 　前記第２密封環の端面における少なくとも前記接触部には、前記ダイヤモンド膜と同様のダイヤモンド膜が形成されている、請求項１のメカニカルシール。
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